亞磷酸鹽之謎科學(xué)偵探故事發(fā)現(xiàn)新型細(xì)菌代謝

康斯坦茨生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種既新又古老的基于磷的細(xì)菌代謝。它的發(fā)現(xiàn)故事講述了20世紀(jì)80年代的計(jì)算、一座污水處理廠、一種新的細(xì)菌有機(jī)體以及大約25億年前的遺跡。

我們的敘述從20世紀(jì)80年代末開始，從一張紙開始。在這張紙上，一位科學(xué)家計(jì)算出，化合物亞磷酸鹽轉(zhuǎn)化為磷酸鹽會(huì)釋放足夠的能量來產(chǎn)生細(xì)胞的能量載體——ATP分子。因此，通過這種方式，微生物應(yīng)該可以為自身提供能量。與我們星球上的大多數(shù)生物體不同，這種生物體不依賴于光或有機(jī)物分解的能量供應(yīng)。

科學(xué)家實(shí)際上成功地從環(huán)境中分離出了這種微生物。正如計(jì)算所預(yù)測的那樣，其能量代謝是基于亞磷酸鹽氧化為磷酸鹽。但生化機(jī)制到底是如何運(yùn)作的呢?

遺憾的是，理解這一過程背后的生物化學(xué)所需的關(guān)鍵酶仍然隱藏著，因此這個(gè)謎團(tuán)多年來仍未解開。在接下來的三十年里，這張紙一直被放在抽屜里，研究方法被擱置一旁。然而這位科學(xué)家卻無法將這個(gè)想法從他的腦海中抹去。

這位科學(xué)家是康斯坦茨大學(xué)湖沼學(xué)研究所教授伯恩哈德·辛克(BernhardSchink)。在他在紙上進(jìn)行計(jì)算三十年后，一個(gè)意想不到的發(fā)現(xiàn)讓事情再次開始。

污水廠、意外發(fā)現(xiàn)和新物種

他多年來一直在腦海中思考的東西終于在康斯坦茨的一家污水處理廠找到了，距離申克的實(shí)驗(yàn)室只有幾公里。來自康斯坦茨的生物學(xué)博士研究員毛竹清檢查了污水污泥樣本，發(fā)現(xiàn)了第二種微生物，它也從亞磷酸鹽中獲取能量。辛克領(lǐng)導(dǎo)的康斯坦茨生物學(xué)家將這種細(xì)菌放置在只有亞磷酸鹽作為食物來源的環(huán)境中。事實(shí)上，細(xì)菌數(shù)量增長了。

“這種細(xì)菌依靠亞磷酸鹽氧化生存，據(jù)我們所知，完全依靠這種反應(yīng)。它以這種方式進(jìn)行能量代謝，同時(shí)可以利用CO2來構(gòu)建其細(xì)胞物質(zhì)，”Schink解釋道。“這種細(xì)菌是一種自養(yǎng)生物，就像植物一樣。然而，它不像植物那樣需要光，因?yàn)樗鼜膩喠姿猁}氧化中獲取能量。”令人驚訝的是，事實(shí)證明，這種細(xì)菌不僅是一個(gè)新物種，而且實(shí)際上形成了一個(gè)全新的細(xì)菌屬。

追蹤分子機(jī)制

從那時(shí)起，事情發(fā)生得很快。康斯坦茨的整個(gè)研究人員網(wǎng)絡(luò)致力于解開這個(gè)謎團(tuán)，其中包括Schink、NicolaiMüller、DavidSchleheck、JenniferFleming和OlgaMayans。他們生產(chǎn)了這種新菌株的純培養(yǎng)物，最終能夠識別出觸發(fā)亞磷酸鹽氧化為磷酸鹽的關(guān)鍵酶。

“突破來自NicolaiMüller和他的酶實(shí)驗(yàn)，”DavidSchleheck說。NicolaiMüller成功地清楚地展示了該酶的活性，從而揭示了關(guān)鍵酶背后的生化機(jī)制。OlgaMayans和JenniferFleming創(chuàng)建了其酶結(jié)構(gòu)和活性中心的三維模型，以了解反應(yīng)途徑。

“非常令人驚訝的是，在氧化過程中，亞磷酸鹽顯然直接與能量載體前體AMP偶聯(lián)，從而產(chǎn)生了能量載體ADP。在隨后的反應(yīng)中，兩個(gè)生成的ADP轉(zhuǎn)化為一個(gè)ATP，在此基礎(chǔ)上有機(jī)體最終會(huì)生存，”尼古拉·穆勒概述了反應(yīng)途徑。

最后，一切都匯集到了一起：原始的紙張變成了堆論文，最終發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

25億年前的遺跡

新型能量代謝的發(fā)現(xiàn)本身就是一項(xiàng)偉大的科學(xué)成功。然而，研究小組認(rèn)為，這種類型的新陳代謝絕不是新的，而是非常古老的，甚至是古老的：大約有25億年的歷史。

“據(jù)推測，在進(jìn)化的早期，當(dāng)?shù)厍蚶鋮s時(shí)，磷在很大程度上仍然以部分還原的形式存在，只是后來逐漸被氧化。我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的新陳代謝非常適合微生物進(jìn)化的早期階段，”辛克解釋道。

因此，細(xì)菌用于新陳代謝的生化機(jī)制并不新鮮，但很可能從我們星球的原始時(shí)代就被保留下來：當(dāng)我們星球上的生命開始時(shí)，第一批微生物必須以亞磷酸鹽等無機(jī)化合物為食。因此，新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)為我們星球的早期生化進(jìn)化提供了線索。此外，它們還提供了生化機(jī)制的關(guān)鍵，使生命在非常惡劣的地方，甚至可能在外星球上成為可能。

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